Материал ZnS (сульфид цинка)
|
Оптические изделия из сульфида цинка ZnS (колпаки – обтекатели, окна, плоскопараллельные
пластины, линзы, призмы и зеркала) используются в лазерных приборах видимого и ИК
спектрального диапазона, а также в оптических системах специального назначения.
Основные достоинства кристаллического сульфида цинка - высокая термомеханическая прочность,
твердость, химическая инертность и прозрачность в видимой и ИК области спектра (0.4-13.5) мкм.
Оптика из ZnS используется в лазерах, работающих в ИК диапазоне на длинах волн 2.8, 3.8 и 5.5
мкм, в приборах формирования изображения для медицинской техники, в системах обнаружения и
радиометрии, а также в различных устройствах высокоскоростных летательных аппаратов, т.к.
сульфид цинка выдерживает большие аэродинамические нагрузки без существенной деградации
оптических характеристик.
|
При эксплуатации оптических компонентов, испытывающих аэродинамические нагрузки, важными характеристики являются твердость,
прочность, коэффициент трещиностойкости и упругие свойства материала.
Благодаря выше перечисленным свойствам, сульфид цинка ZnS используется и как элемент композиционного материала для покрытия
оптики из селенида цинка ZnSe, т.к. селенид цинка - менее прочный и менее твердый материал.
Наиболее перспективным методом получения прозрачного материала сульфида цинка ZnS признано газофазное химическое осаждение
ZnS при реакции паров цинка Zn и сероводорода H2S. В результате образуется поликристаллический сульфид цинка CVD-ZnS (приставка
CVD - Chemical Vapor Deposition). По своей структуре CVD-ZnS - поликристаллический материал, размер микрокристаллов (зерен)
является управляемым параметром, который варьируется в процессе производства с целью получения максимальной прочности.
Выращенный таким способом сульфид цинка CVD-ZnS обладает недостаточной прозрачностью в видимой части спектра. Ограничение
пропускания в видимом диапазоне обусловлено рассеиванием излучения на оптических микро неоднородностях, образующихся в
процессе роста в поликристаллическом CVD-ZnS материале. Оптические неоднородности в виде субмикронных пор и границ между
зеренными слоями различной плотности имеют характерные размеры, близкие к длинам волн видимого излучения.
Поликристаллический CVD-ZnS сульфид цинка, прозрачный в ИК области спектра, но с заметным поглощением в видимой части спектра,
называется инфракрасным ИК сортом сульфида цинка или CVD-ZnS FLIR grade (FLIR - Forward Looking Infra Red - инфракрасная система
переднего обзора), спектральную характеристику пропускания CVD-ZnS FLIR grade см. ниже.
Улучшить свойства поликристаллического CVD сульфида цинка удается при его последующей обработке высокотемпературным
газостатическим прессованием – HIP (Hot Isostatically Pressed). В результате такой обработки получают прозрачный поликристаллический
сульфид цинка с максимально высоким пропусканием во всем спектральном диапазоне (0.4 - 13.5) мкм, при этом улучшаются упруго-
пластические свойства CVD-ZnS материала. Это происходит благодаря уменьшению концентрации оптических микро неоднородностей,
упорядочению структуры и упрочнению межатомных связей. Поликристаллический CVD-ZnS рекристаллизуется в процессе обработки в
газостате, при этом формируется структура, близкая к равновесной, с преимущественной кристаллографической ориентацией <111>.
CVD-ZnS сульфид цинка, прозрачный в широком диапазоне длин волн (0.4 - 13.5) мкм, называется CVD-ZnS MS grade (MS - MultiSpectral),
спектральную характериатику пропускания сульфида цинка CVD-ZnS MS grade см. ниже.
В Нижнем Новгороде в Институте химии высокочистых веществ РАН в результате оптимизации параметров процесса газостатического
прессования разработана технология изготовления прозрачного поликристаллического сульфида цинка CVD-ZnS MS с минимальным
коэффициентом рассеяния в видимом диапазоне при максимально высокой прочности и твердости материала, подробнее см.
автореферат диссертации д-ра хим. наук Э. В. Караксиной. Получены параметры прозрачного поликристаллического сульфида цинка
(CVD-ZnS MS), соответствующие уровню мировых стандартов: коэффициент рассеяния в видимом спектральном диапазоне 0.04 (1/см) на
длине волны 0.5 мкм; механические характеристики - прочность на изгиб - 85 МПа, твердость - 2 ГПа, коэффициент вязкого разрушения
— 0.8 (МПа м1/2).
ООО Электростекло выращивает и предлагает оба вида CVD сульфида цинка, описанных выше: CVD-ZnS FLIR grade и CVD-ZnS MS
grade, а также изготавливает оптические изделия из этих поликристаллических материалов.
Компания производит из сульфида цинка CVD-ZnS FLIR grade оптические компоненты для ИК систем (как правило работающих в
диапазоне (8 - 13) мкм), а именно: CVD-ZnS окна, CVD-ZnS защитные окна-пластины, CVD-ZnS обтекатели – колпаки, клинья, линзы,
мениски, а также заготовки для перечисленных выше оптических изделий. Максимальные размеры изготавливаемых деталей:
ZnS заготовки и ZnS окна (пластины) – до (200x500) мм, толщиной 15мм,
ZnS обтекатели - диаметр до 300мм.
Спектр пропускания (T) полированного окна из сульфида цинка CVD-ZnS FLIR grade толщиной 5 мм в диапазоне (2.5 – 25.0) мкм.
Кроме того ООО Электростекло поставляет поликристаллический сульфид цинка (CVD-ZnS MS) и изделия из него для работы в спектральном диапазоне (0.4 - 13.5) микрон.
Компания производит из сульфида цинка CVD-ZnS MS оптические компоненты: окна, пластины, линзы, клинья, а также заготовки для перечисленных выше оптических изделий. Максимальный диаметр Multispectral CVD-ZnS деталей - до 200 мм.
Спектр пропускания (T) полированного окна из прозрачного сульфида цинка CVD-ZnS MS grade (MultiSpectral) толщиной 5 мм в диапазонах (200 - 1100) нм и (2.5 - 25) мкм.
ООО «Электростекло» предлагает изготовление ZnS оптических изделий, подробнее, см. Каталог.
В настоящее время ООО «Электростекло» изготавливает обтекатели – колпаки из сульфида цинка CVD-ZnS FLIR grade для ИК систем, а также из сапфира (лейкосапфира), CVD-ZnSe, кремния, Ge, CaF2, BaF2, MgF2, LiF, стекла и кварцевого стекла.
Возможно, вы найдете требуемую ZnS оптику в нашем интернет складе, см. Оптические кристаллы (оптика из кристаллов).
Свойства материала ZnS сульфид цинка
|
ПАРАМЕТР |
|
ЗНАЧЕНИЕ |
|
|
|
|
|
|
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ZnS (сульфид цинка) |
|
|
Диапазон пропускания |
|
0.37 - 13.5 мкм |
|
|
Показатель преломления, n |
|
2.20084 (l = 10 мкм) |
|
|
Потери на отражение |
|
24.7% (l = 10 мкм, 2 поверхности) |
|
|
dn/dT |
|
38.7 x 10-6/K l = 3.39 мкм |
|
|
Коэффициент поглощения |
|
0.6 х10-3 см-1, l = 3.8 мкм |
|
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ZnS (сульфид цинка) |
|
|
Плотность |
|
4.09 г/см3 |
|
|
Температура плавления |
|
1827° C (диссоциирует при 700° C) |
|
|
Коэффициент теплопроводности |
|
27.2 Вт/(м K) при 298 К |
|
|
Коэффициент термического расширения |
|
6.5 x 10-6/К при 273 К |
|
|
Твердость по Кнупу |
|
160 (масса индентора 50 г) |
|
|
Удельная теплоемкость |
|
515 Дж/(кг K) |
|
|
Диэлектрическая постоянная |
|
8 |
|
|
Модуль Юнга, E |
|
74.5 ГПа |
|
|
Предел упругости |
|
68.9 МПа |
|
|
Коэффициент Пуассона |
|
0.28 |
|
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ZnS (сульфид цинка) |
|
Растворимость |
|
65 х 10-6 г / 100 г воды |
|
|
Молекулярный вес |
|
97.43 |
|
|
Класс |
|
Поликристалл, кубический, структура ZnS. |
|
Показатель преломления
|
Длина волны, мкм |
0.405 |
0.436 |
0.468 |
0.480 |
0.509 |
0.546 |
0.588 |
0.644 |
0.668 |
0.706 |
|
|
Показатель преломления ZnS (сульфид цинка) |
2.545 |
2.489 |
2.449 |
2.437 |
2.413 |
2.388 |
2.368 |
2.347 |
2.340 |
2.331 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Длина волны, мкм |
0.780 |
0.795 |
0.852 |
0.894 |
1.014 |
1.129 |
1.530 |
2.058 |
3.000 |
3.500 |
|
|
Показатель преломления |
2.317 |
2.314 |
2.306 |
2.302 |
2.292 |
2.285 |
2.272 |
2.264 |
2.258 |
2.255 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Длина волны, мкм |
4.000 |
4.500 |
5.000 |
8.000 |
9.000 |
10.00 |
11.25 |
12.00 |
13.00 |
|
|
|
Показатель преломления |
2.252 |
2.250 |
2.247 |
2.223 |
2.213 |
2.201 |
2.183 |
2.171 |
2.153 |
|
|
|